吡啶基離子液體+有機鹽雙水相體系相圖的測定及鹽析性能研究

林緒亮，徐帥，徐少杰，袁慢景，陳金珠，李宇亮，秦延林

（1 廣東工業大學輕工化工學院，廣東廣州510006； 2 長安大學水利與環境學院，旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西西安710064）

引 言

雙水相體系(aqueous two-phase system,ATPS)是指由兩種聚合物溶液形成的兩相體系：其一為一種聚合物溶液和一種鹽溶液；其二為一種小分子醇和一種鹽溶液。與傳統有機相-水相的體系相比，雙水相體系水含量較高，萃取條件溫和，因此被廣泛應用于生物活性物質的萃取[1-2]。離子液體作為一種新興溶劑，由于其較好的溶解性和極低的蒸氣壓，近年來受到廣泛關注[3]。離子液體雙水相體系是2003 年由Gutowski 等[4]提出的。離子液體雙水相體系由離子液體、鹽和水組成，與傳統的雙水相體系相比，具有分相時間短、不易乳化、易回收、穩定性高等優點[5-6]。從國內外報道來看，咪唑類[7-9]、季銨鹽類[10]、吡啶類[11-12]等離子液體都有部分被開發用來形成離子液體雙水相體系，這些體系已被應用于萃取抗生素[13]、核酸[14]、蛋白質[15]、有機污染物[16]等多個方面。

在利用離子液體雙水相萃取時，其可降解性和毒性是應用前必須要考慮的因素[17]。由于較強的可設計性以及相對低廉的價格，咪唑類離子液體是研究較多的離子液體雙水相體系。然而有研究表明咪唑類離子液體降解難且毒性大[18]。吡啶類離子液體同樣具有較強的可設計性，且比咪唑類離子液體的毒性小[19]，是咪唑類離子液體的良好替代品。考慮到碳鏈越長，毒性越大[20]，離子液體陽離子選取碳鏈最短的N-乙基吡啶陽離子。陰離子選擇四氟硼酸陰離子(該陰離子形成的離子液體黏度較小，熔點較低，并且近年來四氟硼酸離子液體萃取應用較多[8-9])。相較于無機鹽，有機鹽更容易被微生物降解，對環境危害較小。因此，本文選用丁二酸鈉(CH2COONa)2、檸檬酸銨C6H5O7(NH4)3和檸檬酸鈉C6H5O7Na3三種可生物降解的有機鹽，并研究了這幾種鹽的鹽析能力(鹽析能力直接決定了雙水相體系的分相能力)以指導離子液體的用量。而考慮到實際應用中，多數雙水相體系萃取的最優溫度在303.15～313.15 K[21-24]，選 擇 了 在303.15、308.15 和313.15 K三個溫度下研究相圖隨溫度的變化規律。

本文分別采用濁點滴定法和質量法研究離子液體N-乙基吡啶四氟硼酸鹽([EPy]BF4)+有機鹽[丁二酸鈉(CH2COONa)2、檸檬酸銨C6H5O7(NH4)3、檸檬酸鈉C6H5O7Na3]+水雙水相體系在303.15、308.15 和313.15 K 和常壓下的雙節線和系線數據。采用多個經驗式擬合數據并探討了幾種經驗式的擬合效果，并用NRTL 活度系數模型進行了關聯。計算了雙水相體系的有效排除體積和Setschenow-type 方程的擬合參數，討論了鹽析能力的大小，結果有助于為后續離子液體雙水相體系的應用提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

離子液體[EPy]BF4購買于上海成捷化學有限責任公司，純度大于99.0%，丁二酸鈉、檸檬酸銨和檸檬酸鈉購買于國藥集團化學試劑有限公司，純度均大于99.0%。實驗所用水是電阻率為18.25 MΩ·cm的去離子水(和泰HHitech,Master Evo-S45UVF)。分析天平(Sartorius 科學儀器有限公司)，ZH-2C 超級恒溫水浴鍋(南京多助科技發展有限公司)。

1.2 雙節線的測定及擬合

采用濁點滴定法測定雙節線，此方法已在以前的研究中廣泛應用[25-26]。具體實驗步驟為，準確稱取一定質量的離子液體溶液于洗凈并干燥的比色管中，逐滴加入已知質量分數的鹽溶液并不斷振蕩，直至比色管中體系變渾濁，得到第一個濁點，并記錄此時加入體系中鹽和水的質量。再逐滴滴加水并不斷振蕩直到體系澄清，記錄加入水的質量。重復上述步驟直至溶液難以出現渾濁，可得到分相的臨界點，即為雙節線。計算體系中每個臨界點各個組分的質量分數。此實驗采用恒溫水浴鍋控制在恒定溫度(溫度測定不確定度為0.2 K)和常壓下操作。為保證溫度測定準確，恒溫水浴鍋中設置對照實驗，并用溫度探頭實時測量溫度。實驗得到的雙節線采用Merchuk 方程[27][式(1)]以及其他兩個常用的經驗式[式(2)～式(3)]進行擬合：

式中，w1和w2分別表示[EPy]BF4和鹽的質量分數，%；a、b、c、d、a1、b1、a2和b2為擬合參數。

1.3 系線的測定及擬合

系線是根據Merchuk 等[27]提出的質量法測得的。首先，在雙節線雙相區的合適位置取一點，按照相應的組分含量在離心管中配制雙水相體系(約10 g)。充分振蕩混合均勻，并靜置12 h 使體系完全分相。用注射器分別吸取上相和下相并用分析天平(精度為0.0001 g)測定其質量。為保證分析天平測定準確，將分析天平打開預熱30 min 后再使用。利用杠桿定律可以計算出各組分在上相和下相的含量，即為系線數據。整個過程中，該體系用水浴鍋保持恒溫。系線測定的原理可用式(4)～式(8)表示：

式中，v 表示測得的質量。上角標t、b 和m 分別表示上相、下相和整個體系。根據得到的系線數據可以用式(9)～式(10)計算出系線長度(TLL)和系線斜率(S)：

得到的系線數據用式(11)和式(12)擬合：

式中，w3表示水的質量分數；k1、k2、n 和r 均為擬合參數。

系線數據也采用了活度系數模型NRTL 模型進行擬合，擬合效果可用均方根偏差(RMSD)的值來判斷，如式(13)：

式中，N 為系線的個數。上角標exp 和cal 分別表示實驗值和擬合值；下角標i、j和k分別表示組分、相和系線。

1.4 鹽析能力比較

有效排除體積(effective excluded volume,EEV)最初由Guan等[28]根據幾何模型原理提出的關于兩種高聚物形成雙水相體系的模型計算，其形式如式(14)：

式中，f213代表鹽和離子液體的網絡結構緊密組合后仍存在未填滿的有效濃度。

鹽析能力的大小也可以根據Setschenow-type方程[29]的參數進行比較。Setschenow-type 方程如式(16)所示：

式中，C 表摩爾分數；β 為擬合參數；ks是與鹽析能力有關的參數。

2 結果與討論

2.1 雙節線數據的關聯

實驗所得的[EPy]BF4+(CH2COONa)2/C6H5O7(NH4)3/C6H5O7Na3雙水相體系在303.15、308.15 和313.15 K溫度下的雙節線數據見表1，雙節線數據繪制圖見圖1～圖3。

從圖1～圖3 可以看出在所選溫度范圍內，溫度越低，[EPy]BF4+ (CH2COONa)2+ H2O 體系的雙相區域越大。而溫度對[EPy]BF4+C6H5O7(NH4)3+H2O 體系和[EPy]BF4+C6H5O7Na3+H2O 體系的雙相區影響不明顯。該結果可用離子液體和有機鹽爭奪水分子能力變化來解釋，溫度升高，[EPy]BF4和有機鹽爭奪水分子能力增強[30]。當升高相同的溫度，[EPy]BF4爭奪水分子的能力增強程度大于(CH2COONa)2，需要更多的鹽析劑才能分相，在相圖中表現為雙相區變小。而升高相同的溫度，離子液體爭奪水分子能力增強程度和C6H5O7(NH4)3/C6H5O7Na3相差不大時，鹽析劑用量也差別不大，在相圖中表現為雙相區幾乎不變。相似的情況也在其他離子液體雙水相體系出現[12,31]。圖中黑色實線為Merchuk 方程的擬合結果。此外Merchuk 方程的擬合參數、相關系數(R2)和標準偏差(SD)總結在表2 中。值得注意的是，有研究人員提出Merchuk 方程擬合雙節線最初開發針對的是聚合物雙水相體系，對離子液體雙水相體系適用性產生懷疑[32]，也有研究人員提出可采用4 個參數的經驗方程[式(2)]和5 個參數的經驗方程[式(3)]對雙節線進行擬合[33]，這兩個方程的擬合參數、相關系數(R2)和標準偏差(SD)如表3 和表4所示。

表1 ［EPy］BF4（w1）+有機鹽（w2）+水雙水相體系（ATPS）在不同溫度和常壓下的雙節線數據Table 1 Binodal data of［EPy］BF4（w1）+salts（w2）+water ATPS at different temperatures and atmospheric pressure

續表1

續表1

圖1 [EPy]BF4+(CH2COONa)2+H2O體系在不同溫度下的雙節線和系線圖Fig.1 Binodal curve and tie-line data of[EPy]BF4+C4H4Na2O4+H2O system at different temperatures

圖2 [EPy]BF4+C6H5O7(NH4)3+H2O體系在不同溫度下的雙節線和系線圖Fig.2 Binodal curve and tie-line data of[EPy]BF4+C6H5O7(NH4)3+H2O system at different temperatures

表2 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（1）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 2 Values of the parameters of Eq.（1）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

從表2～表4中可以看出，[EPy]BF4+(CH2COONa)2/C6H5O7(NH4)3/ C6H5O7Na3雙水相體系中，式(1)～式(3)的相關系數皆大于0.99，具有良好的擬合效果。式(2)的擬合效果優于式(1)，這可能是因為式(2)具有較多的擬合參數。但是擬合參數不宜過多，例如式(3)具有5個擬合參數，但擬合效果不如式(2)。此外，擬合參數過多可能會導致部分參數失去意義，造成過度擬合，如表4 中的參數b1在兩種體系中數值沒有變化，且為擬合時所賦的初值。Merchuk 方程[式(1)]雖然最初應用的體系不是離子液體雙水相體系，但從擬合結果來看，應用于離子液體雙水相體系的擬合效果良好。為方便計算，本文計算系線時采用Merchuk方程。

圖3 [EPy]BF4+C6H5O7Na3+H2O體系在不同溫度下的雙節線和系線圖Fig.3 Binodal curve and tie-line data of[EPy]BF4+C6H5O7Na3+H2O system at different temperatures

表3 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（2）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 3 Values of the parameters of Eq.（2）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表4 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（3）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 4 Values of the parameters of Eq.（3）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

2.2 系線數據的關聯

[EPy]BF4+ (CH2COONa)2/C6H5O7(NH4)3/C6H5O7Na3雙水相體系在303.15、308.15 和313.15 K 下的系線數據、系線長度和系線斜率如表5 所示。從表中可以看出，每組雙水相體系系線的斜率比較接近，且系線越靠近臨界點，斜率越接近。這種現象也可以從圖1～圖3 中看出，系線幾乎平行。這種現象為圖解法得到雙水相的臨界點提供了理論依據。從表5 中檸檬酸銨和檸檬酸鈉的系線數據可以看出，隨著溫度的升高，系線長度和系線斜率的絕對值逐漸變小，這可能是因為隨著溫度升高離子液體與水的相互作用增強引起的[30]。當雙水相體系的溫度升高時下相(富水相)的水轉移到了上相(富離子液體相)并造成兩相間差別變小。在其他雙水相體系中也有類似現象[12]。

表5 ［EPy］BF4（w1）+有機鹽（w2）+水雙水相體系在不同溫度和大氣壓下的系線數據Table 5 Tie-lines data of［EPy］BF4（w1）+salts（w2）+water ATPS at different temperatures and atmospheric pressure

續表5

為了驗證系線數據的可靠性，采用Othmer-Tobias 方程[34][式(11)]和Bancroft 方程[35][式(12)]對系線數據進行擬合。表6 和表7 總結了式(11)和式(12)的擬合參數、相關系數和標準偏差。從表中標準偏差(SD)和相關系數(R2)數據可以看出，式(11)和式(12)的擬合效果良好，這表明根據質量法所得的系線數據是可靠的。此外，在308.15 K 下的系線數據也采用了NRTL(non-random two-liquid)活度系數模型進行了關聯，并計算了均方根偏差RMSD(root-meansquare deviation)值。擬合得到的NRTL 二元交互參數和計算所得RMSD 的值均在表8 中給出。通常情況下，在實驗數據缺少時，表示組分間非隨機性的參數α 被設置為定值0.3，但是對于離子液體+鹽雙水相體系α 為0.3 所得的擬合效果不理想。有文獻報道[36]，可將擬合參數α 設置為可變量，通過液液平衡數據擬合得到，因此本文將α 設置為可變量。從表8 可以看出，RMSD 的值均小于1%，這說明NRTL模型擬合這三種雙水相體系的擬合效果良好。

2.3 有效排除體積和鹽析能力

鹽析能力本指中性鹽對水溶液中蛋白質析出的能力，而離子液體雙水相體系的形成與鹽析蛋白質類似，實質上為鹽與離子液體爭奪水分，使離子液體析出的過程。鹽析能力可以通過有效排除體積[式(15)]和Setschenow-type方程[式(16)]進行探討。

EEV 指離子液體接受鹽單位的最小體積，與鹽的鹽析能力密切相關，EEV 值越大，鹽的鹽析能力越強。表9 給出了擬合所得參數EEV 和f213的值，此外，相關系數(R2)和標準偏差(SD)也總結在該表中。從表中可以看出，含檸檬酸鈉的雙水相體系EEV 最大，含檸檬酸銨的雙水相體系次之，含丁二酸鈉的雙水相體系最小。因此可得鹽析能力大小順序為檸檬酸鈉＞檸檬酸銨＞丁二酸鈉。表10 給出了Setschenow-type 方程的擬合參數、相關系數(R2)和標準偏差(SD)的值。其中ks是與鹽析能力有關的參數，且ks越大鹽析能力越大。從表中可知，相關系數值都大于0.99，表明該式的擬合效果良好。丁二酸鈉、檸檬酸銨和檸檬酸鈉的ks值分別為2078、3310和3483，這表明鹽析能力大小排序為檸檬酸鈉＞檸檬酸銨＞丁二酸鈉。檸檬酸鈉和檸檬酸銨的鹽析能力強弱可用陽離子的離子水合能(ΔGhyd)解釋，這兩種鹽有著相同的陰離子，而陽離子的離子水合能的絕對值排序為Na+(ΔGhyd=-365 kJ·mol-1)＞NH4+(ΔGhyd=-285 kJ·mol-1)[37]。陽離子離子水合能的絕對值越大，則離子水合反應更容易發生，進一步能奪取更多的水分子，宏觀表現為檸檬酸鈉的鹽析能力比檸檬酸銨強。

表6 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（11）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 6 Values of the parameters of Eq.（11）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表7 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（12）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 7 Values of the parameters of Eq.（12）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表8 ［EPy］BF4（1）+有機鹽（2）+水（3）雙水相體系擬合NRTL模型的參數結果和均方根偏差Table 8 Values of the parameters of NRTL model for［EPy］BF4（1）+organic salt（2）+H2O（3）ATPS

表9 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（15）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 9 Values of the parameters of Eq.（15）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

表10 ［EPy］BF4+有機鹽+水雙水相體系擬合式（16）的參數結果、相關系數和標準偏差Table 10 Values of the parameters of Eq.（16）for［EPy］BF4+organic salt+H2O ATPSs

3 結 論

本文通過濁點滴定法和質量法測定了離子液體N-乙基吡啶四氟硼酸鹽和有機鹽丁二酸鈉/檸檬酸銨/檸檬酸鈉雙水相體系在303.15、308.15 和313.15 K 和常壓下的相圖。相較于其他多參數經驗式，Merchuk 經驗式的擬合效果良好且更方便計算。經驗式的參數較多有可能會使部分參數失去意義，導致過度擬合。Othmer-Tobias 和Bancroft兩個經驗式對系線的擬合效果良好，通過質量法得到的系線數據是可靠的。RMSD 值表明NRTL 模型可以成功擬合該離子液體+有機鹽雙水相體系的系線數據。此外在較低溫度下，雙水相體系更容易分相，且系線長度和系線斜率絕對值更大。最后，分別比較了兩種體系的EEV 和Setschenow-type 方程的ks值，共同得到了鹽析能力排序，檸檬酸鈉＞檸檬酸銨＞丁二酸鈉。

符 號 說 明

c——摩爾分數，%

M——摩爾質量，g·mol-1

N——系線個數

v——測得上下相的質量，g

w——質量分數，%